專利名稱：簡化的板通道反應器設計的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及普遍意義上的用以容納反應區(qū)并用熱交換流體間接加熱反應區(qū)的板式交換器設計。
在許多工業(yè)領域里，例如在石油化學和化學工業(yè)中，反應流體與反應器中的催化劑在適當?shù)臏囟群蛪簭姉l件下的接觸實現(xiàn)了在流體中的一種或多種反應物的組分間的反應。這些反應大多數(shù)在不同程度上產(chǎn)生或吸收熱，因而是放熱的或吸熱的。與放熱或吸熱反應相聯(lián)系的加熱或冷卻效應會對反應區(qū)的操作產(chǎn)生正面或負面影響。除其它之外，負面影響可以包括產(chǎn)物產(chǎn)量變差、催化劑失活、不希望的副產(chǎn)物的產(chǎn)生和在極端情況下的反應容器和相連的管道系統(tǒng)的損壞。更典型地，與溫度變化相聯(lián)系的不希望的影響將降低源自反應區(qū)的產(chǎn)物的選擇性或產(chǎn)率。
放熱反應過程涉及多種給料和產(chǎn)物。中等放熱過程包括甲醇合成、氨合成和甲醇至烯烴的轉化。通過萘或鄰二甲苯的氧化而進行的鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)、始于丙烷或丙烯的丙烯腈的生產(chǎn)、始于丙烯醛的丙烯酸的生產(chǎn)、正丁烷至馬來酸酐的轉化、通過甲醇羰基化而進行的乙酸的生產(chǎn)和甲醇至甲醛的轉化代表了另一類一般高度放熱的反應。特別地，氧化反應通常是高度放熱的。這些反應的放熱本性導致了許多用于這些反應的系統(tǒng)在其設計中包括了冷卻設備。熟悉該領域的人員經(jīng)常用冷激或熱交換設備來克服反應放熱的問題。大量已有技術詳細地講述了在反應區(qū)和冷卻介質(zhì)之間進行間接交換熱的方法?，F(xiàn)有技術高度依賴于管式設備來容納反應和提供與冷卻介質(zhì)的間接接觸。管式反應器的幾何學帶來了需要大型反應器和大量管表面以取得高熱傳遞效率的布局限制。
其它過程應用使用劃分出通道的薄板來實現(xiàn)間接熱交換。通道交替地在一組通道中容留催化劑和反應物，在相鄰的通道中容留用于間接加熱或冷卻反應物和催化劑的熱交換流體。這些間接熱交換反應器中的熱交換板可以是平面的或彎曲的，并且可以具有表面變形(例如褶皺)以加大熱傳遞流體與反應物和催化劑之間的熱交換。通過將溫度曲線維持在與反應熱所產(chǎn)生的溫度曲線不同的情況下，許多烴轉化過程的操作會變得更加有利。在許多反應中，可以通過基本維持恒溫條件可以獲得最有益的溫度曲線。在有些情況下，方向與和反應熱相聯(lián)系的溫度變化的方向相反的溫度曲線將提供最有益的條件。由于這些原因，一般已知將反應物與熱交換介質(zhì)以交叉流動、同流或逆流的方式設計。提供更完全的溫度控制的熱交換和反應物通道的具體排列可以在US-A-5,525,311中找到。該文獻的內(nèi)容通過引用并入本文。用于間接熱傳遞的其他有用的板排列方式公開于US-A-5,130,106和US-A-5,405,586中。
將反應物與冷卻劑或加熱流體在板式交換器設備的入口和出口處分開使得設計和制造過程復雜化了。許多此類設計因需要歧管和/或連通相鄰的通道的管線而加大了反應器的尺寸。相鄰通道間的流體傳遞的簡化也可帶來流體在板式交換器的進口和出口處的分配和收集的簡化。經(jīng)改進的在流動路徑的中間位置通過通道注入反應物的排列方式也可以改善反應器性能。
通道反應器設備經(jīng)常容納有顆粒狀催化劑。當催化劑失活時，需要更換催化劑。用于分配和收集熱交換流體和反應物的復雜的歧管裝置會使催化劑的更換變得麻煩而費時。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了劃分出了用于板式反應器設備中流體間間接熱交換的通道的板的穿孔部分。該穿孔部分僅延伸至劃分出通道的板的一部分，從而在保持了反應物和熱交換流體在其通過反應器的途經(jīng)時所過的通道的大部分長度的同時，允許相鄰通道中的流體的傳遞。位于穿孔板的一端的該部分穿孔的部分使單一一種通過板通道反應器的流體物流可以作出任何通道通過次數(shù)的流動。壓降和熱交換方面的需要是對任何一種流體流過本發(fā)明通道反應器設備的次數(shù)的僅有的實際上的限制。
適用的通道排列方式能直接在公共熱交換表面上進行熱交換。該排列方式可以使用分離的熱交換物流提供對反應通道的加熱或冷卻，也可以使用一個通道的熱交換流體或反應物作為相鄰通道中的反應物或熱交換流體。特別地，源自反應通道的原料或反應后的物流可以提供用于相鄰通道中的燃燒和原位熱生成所用的燃料。當然，熱交換通道也可以起燃燒通道的作用并接受與反應通道分開的用于燃燒的燃料。
有用的排列也可使用將公有通道的不同部分用作不同的功能。此類功能包括將中間流體通過相鄰通道從而將熱在一個位置傳遞出反應通道并在下游通道位置將熱傳遞回被加熱通道。在其他的排列中，中間通道和反應通道可以在被加熱通道之間并行排列，從而通過被加熱通道調(diào)節(jié)反應通道中的溫度。
據(jù)此，在概括性的實現(xiàn)方案中，本發(fā)明是一種通過利用與熱交換流體的間接熱交換在反應區(qū)內(nèi)間接加熱或冷卻反應物的同時將反應物與催化劑在反應區(qū)中相接觸的反應設備。該設備包括劃分出在一端具有流體入口的第一組通道和在一端具有流體出口的第二組通道的多個隔開的板。穿孔的至少一段將液體在第一組和第二組通道間輸送。隔開的板的至少一部分在其一端劃分有穿孔部分，且穿孔的每一段僅占有穿孔的板的一部分。
在本發(fā)明的具體變型中，反應通道中的催化劑填料和附加放熱或吸熱反應的催化劑的添加可以滿足不同目的。例如，反應通道中的催化劑的短的填料可以在反應區(qū)以上或以下提供用于額外的給料預熱或排出物冷卻的空間。另一方面，加長加熱通道可以提供用于與離開反應區(qū)的排出物或進入的反應物進行開放通道熱交換的額外的表面積。
對于催化劑，本發(fā)明具有特別的優(yōu)點。用于分配或收集熱交換流體和反應物的歧管的簡化或去除提供了允許催化劑卸載的空間。典型地，該設備在反應設備的頂部使用分配歧管，從而分配和收集通道頂部的流體入口和流體出口的流體。將歧管放置在頂部使得通道可以在其底部設置顆粒出口并安裝催化劑卸載裝置。由此，通道以下的部分可以保留給用于取出催化劑的歧管。由于沒有必要在通道的底部提供篩子或其他可透過的表面，可以使用簡單的催化劑保留裝置以控制催化劑在通道里的保留。該裝置應在處于催化劑保留位置時封閉顆粒出口，并在處于卸載位置時打開顆粒出口。因此，在將門或其他適用的封閉裝置從通道的底部取下時，通道可以為催化劑卸載而保持完全打開。通過本設計的簡化，也可以在允許在物流運行工況下移出催化劑和在更換催化劑顆粒的同時繼續(xù)將流體通過通道流動。
對于一般意義上的流體流動，穿孔板部件將決定流體流動的方向。通過穿孔板段連接的相鄰的通道在通道間總是處于相對逆流流動關系的。然而，通過將熱交換流體與反應物分開，同向流動設計也是可能的。
劃分出容納反應和熱交換氣體的通道的板可以具有任何產(chǎn)生狹窄通道的結構。優(yōu)選的熱交換元件的形式是其中帶有褶皺的較平坦的板。在支持板從而提供狹窄通道的良好支撐的系統(tǒng)的同時，褶皺起維持板之間的間隔的作用。此外的關于此類板系統(tǒng)的排列的詳細描述記載于US-A-5,525,311中。
本發(fā)明在產(chǎn)生熱的反應和吸收熱的反應中有用。一種可以方便地使用本發(fā)明的設備的方法是環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)。本發(fā)明的一種特別有益的方法應用是在通過鄰二甲苯的氧化進行的鄰苯二甲酸酐(PA)的生產(chǎn)。反應裝置將鄰二甲苯加入分配歧管中，該分配歧管將控制的量的氧與鄰二甲苯混合注入。向歧管中注入氧化化合物避免了鄰二甲苯和氧以爆炸比例存在。熱交換反應器的板的裝置很快將與PA的合成相伴隨的大量反應熱熱散逸。加強的溫度控制在改善了產(chǎn)物選擇性同時也允許增加產(chǎn)量。
本發(fā)明的另一個目的是簡化使用通道設計的熱交換反應器的反應物和熱交換流體的進料和回收，從而使通道反應器設備更緊湊，以及用歧管簡化流動通道的合并。
本發(fā)明的再另一個目的是將反應物或熱交換流體多次通過帶有數(shù)目減少了的歧管的通道式反應器設備。
附圖的概述

圖1本發(fā)明的反應器設計的示意圖。
圖2是自線2-2處的圖1的截面。
圖3是本發(fā)明的穿孔板的橫截面。
圖4是用于本發(fā)明中的褶皺狀板部件的三維視圖。
圖5是單獨一塊包含穿孔部分的褶皺狀板的視圖。
圖6是示意性顯示按照本發(fā)明設計的反應器的截面視圖。
圖7是自線7-7處的圖6的截面。
圖8是顯示本發(fā)明的反應器的另一個實現(xiàn)方案的示意性設計的截面。
圖9是自線9-9處的圖8的橫截面。
圖10和11是顯示通過鄰二甲苯氧化生產(chǎn)PA的管式設計中的管子沿路徑長度的溫度曲線和轉化參數(shù)的圖。
圖12至17是顯示通過鄰二甲苯氧化生產(chǎn)PA的板式熱交換反應器中沿路徑長度的通道的溫度曲線和轉化參數(shù)的圖。
發(fā)明的詳述本發(fā)明可用于任何吸熱或放熱過程，其中反應物或反應物的一部分提供了板式交換器元件設備中的使吸熱反應加熱的熱源或使放熱反應冷卻的冷源。典型地，對于任何使用板式交換器設備的方法的關于相容性的額外要求是任何熱交換區(qū)和反應區(qū)之間的溫度差(ΔT)和壓強差(ΔP)較低。200℃或更小的溫度差對于本發(fā)明是適宜的。壓強差將保持為低值并且典型地反映了通過催化劑床的壓降要求。通常板元件之間的壓差不大于0.5Mpa。
通常反應通道至少含有促進反應的催化劑。上面描述的方法以及其他方法應用中的適用的催化劑是為熟悉該領域的人員所熟知的。根據(jù)反應時間和任何反應通道中的反應前加熱和反應后冷卻的要求，可以以某種形式用顆粒狀催化劑填充反應通道。作為顆粒狀催化劑的替代物，催化劑也可以涂布在板的各轉化區(qū)的表面上。將催化劑涂布至板上使其具有上部催化段和下部無催化劑段可能是特別有利的，而這其中所述的段通過劃分通道的板與一個第二催化區(qū)保持熱交換關系。
在本發(fā)明的方法或設備中使用的熱交換流體可以是可以提供需要的冷卻和加熱能力的任何類型的流體。許多種熱交換流體可以滿足加熱或冷卻的需要。此類流體包括整體的加工物流和輔助流體。該流體可以通過可感知的、非顯現(xiàn)的或反應方法吸收或放出熱。對于高度放熱的過程，熔融的鹽或金屬可以是特別有用的熱交換介質(zhì)。
為適宜于平衡某一具體反應的熱需求，熟悉該領域的人員是知道促進補充的放熱和吸熱反應的特定的催化劑的。此類催化劑可以有利地駐留在熱交換通道中，從而提供反應冷卻和反應物的可感知的或潛熱的冷卻。一個此類吸熱和放熱催化劑組合的例子是輕質(zhì)烴(典型的是甲烷)的自熱重整，從而提供一般稱之為“合成氣”的物質(zhì)。合成氣基本由氫氣和一氧化碳、較少量的二氧化碳、未轉化的烴和其他組分(可以包括氮氣和其它惰性組分)構成。強吸熱重整反應與強放熱氧化反應(可以由烴的部分催化或熱氧化實現(xiàn))達到了有效的平衡。改變烴在重整或氧化反應中的摩爾數(shù)可起到平衡釋放的熱和吸收的熱的作用。
此類設備特別適合于結合進連接僅兩對相鄰通道并將放熱反應通道放置在交替的加熱通道和吸熱反應通道之間的一種多次通過通道裝置中。在一種提供三次通過的排列方式的構造中，相對較冷的反應物流入加熱通道，在此，與反應通道的間接熱交換分別提供了加熱和冷卻。將反應后的物流從放熱反應通道流入吸熱反應通道透過劃分了吸熱反應通道和相鄰的放熱反應通道的共享的板對反應通道提供了額外的冷卻。
圖1和2顯示了本發(fā)明的基本反應器設計。在該設計中，反應器11包含僅一組通道對12。未穿孔的板19將成對的熱交換通道分成向下流動通道15和向上流動通道18。歧管13將進入的流體輸送至向下流動通道15的入口14。穿孔板17的底部劃分的穿孔段16將流體輸送至向上流動通道18。
如圖2所示，歧管13包含入口腔20和出口腔21。間隔板22將入口腔30和出口腔21的容積隔離。如符號所表示的，輸入的流體從管線23沿著入口腔20通過入口14進入通道15。向上流動通道18的封閉部分24阻止入口腔20輸送的流體進入向上流動通道18。類似地，由符號⊙所表示的源自向上流動通道18的流體由出口腔21收集，從而作為出口物流25排出，與此同時，封閉部分26避免了源自通道15的流體流出至出口腔21中。
通道15和18可以起到多種不同作用。通道15可以通過使用于在通道18內(nèi)進行吸熱反應的反應物預熱來提供冷卻。相反地，通道15可以接受對發(fā)生在通道18內(nèi)的吸熱反應提供額外的熱輸入的加熱的反應物物流。此外，通道15可以含有用于使進入通道18的反應物的燃燒加熱的氧化催化劑。
本發(fā)明的通道特別適于用顆粒催化劑。圖1顯示了一種用于放熱反應的催化劑裝填設計。冷的輸入的反應物通過管線23進入并向下進入通道15。輸入的反應物通過通道15的上部時，通道18的上部作為熱交換區(qū)使用，從而用離開的反應物預熱輸入的進料。離開的反應物已經(jīng)被通道18的下部中發(fā)生的放熱反應所加熱。當反應物被輸送進通道15的下部中時，它們直接被發(fā)生在通道18的下部中的放熱反應進一步加熱。當加熱了的反應物通過穿孔板17底部的穿孔段16時，它們被送至部分填充了通道18的底部的催化劑顆粒27中。部件16上的穿孔的尺寸的設計使其可阻擋催化劑顆粒從通道18進入通道15，而同時允許反應物流體從通道15流入通道18。
圖1的設計特別適用于從通道15、18或二者中更換催化劑。在圖1所示的具體設計中，催化劑27僅駐留在用于放熱反應的通道18中。一旦催化劑27失活或需要更換，大致顯示在28處的催化劑卸載裝置將允許從通道18卸載催化劑。最簡單的設計是卸載裝置可以包括一組門29，該門29在處于關閉位置(用實線顯示)時至少封閉通道18的底部30從而避免催化劑落出通道。將門29移至打開的位置(用虛線顯示)，通道18的底部30打開，從而可以卸載催化劑顆粒。
卸載裝置28可以再包括第二組門，從而從通道15中選擇性地保留和卸載催化劑。第二組門31被顯示為處于打開的催化劑卸載位置。第二組門31具有分開了指狀封閉裝置33的長孔32。當門31在通道15的整個底部34上向上擺時，指狀封閉裝置33封閉通道15的底部34，從而阻止任何催化劑排出。長孔32允許通道18中的催化劑繞第二組門31流動，從而在通過移動門31至圖1所示的打開的位置實現(xiàn)其在卸載通道15中的催化劑之前的完全卸載。一旦通道18中的催化劑被卸空，打開門31將允許催化劑流出通道18而不會引起不同催化劑顆粒的混合。
催化劑容易從反應器的頂部11被填充至通道18中和任選地被填充至通道15中。為了進行催化劑填充，可以將歧管13從通道的頂部取下，從而分別露出通道的開放面積和入口腔和出口腔20和21。當僅在通道18中使用催化劑時，可以用固定的篩子遮蓋通道15的入口14，從而避免顆粒流入此處。當對兩個通道都進行催化劑填充時，可以裝上一個適當?shù)拈_有長孔的板并將其放置在通道15和18的頂上，從而在填充催化劑的特定的周期中選擇性地封閉不接受催化劑的通道。
也可以在通過反應器11循環(huán)反應物或熱交換流體的同時移動催化劑。入口腔和出口腔20和21可以在每一腔內(nèi)在保持打開的通道頂部上方提供分散催化劑的分配空間。在此類設計中，可以用一個或一系列腔代替門29和31，從而以接受顆粒材料的收集腔的形式提供卸載裝置。適用的收集腔可以類似于圖2所示的用以從選定的通道收集催化劑裝置。從反應器11的頂部和底部進行的催化劑的受控的取出和加入可以在反應器中提供任何所希望的催化劑量。
本發(fā)明依賴于較狹窄的通道在整個薄板上提供有效的熱交換。一般而言，通道寬度應平均應小于1英寸，優(yōu)選小于1/2英寸的寬度。適用于本發(fā)明的板包括任何允許高熱傳遞速度的板。以薄板為宜，并且通常厚度為1至2mm。典型地，板由鐵或非鐵合金，例如不銹鋼，構成。優(yōu)選的用于板的合金應能經(jīng)受極端的溫度并含有高比例的鎳和鉻。板可以被成型為彎曲的或其他的外形，但是一般出于層疊的目的而優(yōu)選平板。平板可以具有通過機械加工、化學蝕刻、或其它方法而形成的通道。再次地，每一塊板可以是光滑的，并可裝有額外的元件(例如隔板或穿孔片)以在通道內(nèi)提供流體的渦流。
優(yōu)選每一塊板具有向反應物和熱交換流體的流傾斜的褶皺。褶皺維持了由褶皺高度定義的可變的通道寬度。對于褶皺，平均通道寬度的最實用的定義是由通道的容積除以平行于板的主平面的截面積得到的。根據(jù)這一定義，具有基本直線的傾斜的側壁的褶皺狀的板的平均寬度為在整個通道上最大寬度的一半。
圖3顯示了分隔通道15和通道18的板17的優(yōu)選的褶皺設計。褶皺圖案可以至少起兩個作用。一個作用是從結構上支撐相鄰的板。另一個作用是加強渦流從而提高在狹窄的反應通道中的熱交換效率。圖3顯示了由凸紋37和凹部38確定的褶皺。褶皺的頻率或斜度可以按所希望的改變，從而促進不同程度的渦流。由此，沿著流體流動方向在整個通道上褶皺越淺，如凸紋37和凹部38所顯示的，將產(chǎn)生更少的渦流；而沿著流體流動方向，褶皺斜度越大，如凸紋39和凹部40所顯示的，可以按需要提供更大的渦流。褶皺的斜度和頻率也可以在僅一個熱交換通道上改變從而改變通道上不同位置的熱傳遞系數(shù)。優(yōu)選地，通道可以在其外圍附近包含一個平坦部分41，以在外側和頂部附近按需要實現(xiàn)通道的封閉。除穿孔外，板19基本與板17相同，以含有褶皺為宜，并且出于所希望的熱交換或其他目的可以改變褶皺的斜度從而改變渦流和流動系數(shù)。
穿孔段16橫跨板17。穿孔42通常具有允許流體流過穿孔部分而又避免催化劑通過穿孔部分遷移的較小的直徑。穿孔的孔徑通常在約1.5mm至約10mm之間。在某些特定方法應用中，穿孔段16可以位于板的中間部分從而提供流體旁路，但是一般位于板的一端。將褶皺的位置放在板的一端最大化了流體通過通道的流動路徑長度。穿孔段所提供的流動面積通常至少等于沿著通道流動路徑的凈流動面積。當一個通道含有顆粒狀催化劑材料時，凈流動面積應為橫跨通道18的橫截面的催化劑顆粒間的平均敞開面積。多數(shù)情況下，穿孔區(qū)域的長度為通道長度的一半以下，并且，典型地，小于通道長度的25％。為了使沿著通道的流體流動路徑最大化，穿孔段優(yōu)選延伸至不大于其長度的10％。
圖4顯示了典型的褶皺狀板排列的橫截面，其中板44的褶皺與板46的褶皺方向相反，從而劃分出交替的通道47和48?？?9提供了通過板44的本發(fā)明的穿孔。圖4顯示了褶皺板的優(yōu)選的排列，其中相對的褶皺板的表面上的青魚骨狀圖案在相反方向上延伸，且相對的板的表面相互接觸以形成流動通道和為板部件提供結構支撐。圖5進一步顯示了另外一種可能的板的形狀。
在本發(fā)明的實際使用中，不必須將每一反應通道與熱交換通道交替排列。反應段的可能的布局可以將兩個或更多個熱交換通道放在每個反應通道之間，從而減少在熱交換介質(zhì)方面的壓降。可以用分隔相鄰的熱交換通道和在其整個表面上都穿孔的穿孔板劃分出雙通道排列。在被加熱的通道的整個橫截面上提供好的循環(huán)的同時，填料或穿孔的板的使用可以加強與反應通道之間的熱傳遞。
圖6和7顯示了兩組各自獨立的、將不同流體封閉地從反應器設備50相對的末端進行循環(huán)的通道對的設備。入口物流51向具有上入口腔53和上出口腔54的歧管裝置52提供流體。入口腔53將上入口物流51分配至通道對55(如符號所表示)。上出口物流56通過上出口腔54在符號⊙所表示的通道開口從第一組通道對55中收集流體。穿孔段57連接第一組通道對55中的兩個通道。類似地，將下部輸入物流58通過歧管裝置60分配至第二組通道對59。第二組通道對59中的上穿孔段61連通了用于通過歧管60抽出下出口物流62的通道。
利用這種排列方式，可以將兩種不同的流體在熱交換反應中以完全的交叉流動的關系使用位于反應器設備相對的末端的簡單的歧管裝置進行循環(huán)。這樣，第一組通道對可確定循環(huán)熱交換流體的熱交換通道，而第二組通道對可確定接受反應物物流和釋放反應后的物流的反應通道。
圖8和9顯示了使用奇數(shù)通過次數(shù)從而提供簡化了的進口和出口歧管裝置的反應器通道排列方式。在圖8中，入口物流65進入具有一個腔的進口歧管66。進入入口歧管66的流體向下流入一系列三次通過通道裝置67的進口通道68。板69底部的穿孔部分78將流體從入口通道68輸送至中間通道70，并且上部穿孔部分74繼續(xù)將流體從中間通道70輸送至出口通道71。同樣包括一個單開口腔的歧管72收集源自出口腔71的排出物以便由出口物流73排出。這樣，圖8的設備將穿孔部分交替地放置在劃分出通道的板的末端，從而劃分出在通道的一端配送流體并在通道的相對的末端收集流體的流動路徑。
圖9顯示了圖8的設計的另一個方案，其中側歧管75延伸至熱交換通道的多個段76之間。可以將一種流體或多種流體通過圖6至8中描述的歧管裝置輸送至熱交換通道。側通道75可以分配或收集源自一個或多個如分開的板所確定的通道的側面77的液體。為說明起見，圖8和9顯示出了通道70側面的用于配送中間物流80的開口79。開口79可以延伸至與側歧管連通的通道的整個長度或如圖8中通過孔79所表示的，僅延伸至其一部分。從實際建造的角度出發(fā)，通道的側面上的孔可以更方便地通過在通道的側面上斷續(xù)焊接來提供，而不是通過開孔來劃分。
實施例以下實施例闡述了管式反應器基礎案例和一種如圖6和7的使用兩個獨立流動路徑的通道反應器設計的操作。所有實施例都是鄰二甲苯至鄰苯二甲酸酐的氧化反應。數(shù)字數(shù)據(jù)使用了充分確立的動力學數(shù)據(jù)和由實驗得到的熱傳遞數(shù)據(jù)。所有催化數(shù)據(jù)都是基于具有2000cm2/g表面積的碳化硅基底材料表面涂層五氧化二釩的性能參數(shù)。所有實施例的操作都使排出物中的2-苯并〔c〕呋喃酮含量為在PA產(chǎn)物中小于1000ppm。這些實施例也模擬了熔融的鹽為冷卻介質(zhì)的使用。
實施例1本實施例確立了管式反應器基礎案例的性能并得到了與現(xiàn)行工業(yè)管式反應器的性能相似的結果。在此基礎案例中，含有濃度為75g/Nm3的鄰二甲苯原料的空氣給料以10,000kg/m2/hr的質(zhì)量流量通過直徑為25mm的三米長的管，并沿著管產(chǎn)生了0.3巴的壓降。該管式反應器模型使用了外徑為9mm、典型地帶有5mm直徑的孔的環(huán)狀顆粒。在698°K的溫度下的鹽浴圍繞管的外殼的循環(huán)提供了冷卻。原料在約700°K的溫度下進入管式反應器。最終的2-苯并〔c〕呋喃酮在PA產(chǎn)物中的含量為低于1000ppm。圖10以圖的形式描述了沿著代表性的管的長度的溫度曲線。該管在其路徑長度的最初50cm達到了約850°K的峰值溫度。圖11表明了在管長度的最初約100cm的鄰二甲苯的基本完全的轉化。圖11也顯示出管中后續(xù)的轉化在將PA選擇性提高到約83％的同時，將鄰甲苯甲醛和2-苯并〔c〕呋喃酮的含量降低至低于1000ppm的水平。
實施例2板式熱交換器型反應器在與管式反應器相同的鄰二甲苯入口濃度和通過熱交換通道的質(zhì)量流量下操作。通道設備在一個通道對中的通道間6mm間隔中裝有2mm球形催化劑。為了在通道兩端維持與在管兩端相同的0.3巴的壓降，將板式反應器設備中的工藝流量降至7500kg/m2/hr。盡管如此，板式交換反應器的尺寸設計維持了與管式反應器中相同的基于單位反應器容積熱傳遞表面積與催化劑表面積的比。在相同的75g/cm3的鄰二甲苯在空氣原料中的濃度下，板式交換反應器中的工藝入口溫度比管式反應器提高15℃或達到約713°K，以維持相同的PA產(chǎn)物中的2-苯并〔c〕呋喃酮含量。即使在提高的入口溫度下，圖12顯示出通道中的峰值溫度下降至約815℃，比管式反應器下降了約20℃。同樣，圖13顯示了鄰二甲苯沿著板式交換反應器的路徑長度的快速轉化，其中PA選擇性相同并且鄰甲苯甲醛和2-苯并〔c〕呋喃酮的含量低于1000ppm。由此，本實施例的溫度下降顯示出板式熱交換反應器比管式反應器的總熱交換能力高約30％。
實施例3實施例3評價了輸送至板式交換反應器的空氣中的鄰二甲苯的濃度在75g/Nm3至110g/Nm3范圍內(nèi)的增加，從而確定在板式熱交換反應器中產(chǎn)生與管式反應器中相同的峰值溫度的濃度。源自額外的鄰二甲苯的氧化的熱需要將循環(huán)的鹽的溫度從實施例2的713°K提高至717°K，以將PA產(chǎn)物中的2-苯并〔c〕呋喃酮的濃度保持在1000ppm以下。在約105g/Nm3的濃度水平下，板式反應器的峰值溫度(見圖14)接近管式反應器設備的最高溫度。如圖15所確立的，與管式反應器相比，通過使用板式交換器，可以將鄰二甲苯的最高濃度顯著提高，而同時將PA選擇性維持在約83mol％。
實施例4實施例4顯示了將鄰二甲苯在路徑中的中間點分段注入從而重新建立75g/Nm3的最高濃度的操作對溫度和轉化率的影響。此實施例中，原料的分段化注入通過將圖8和9的側分配管與圖6和7中所示的通道對的組中的一組協(xié)同使用而實現(xiàn)。本實施例減少了原料的起始注入，從而將板式反應器的入口處的加工流量減少到鄰二甲苯第一段注入的5525kg/m2/hr。該設備在沿熱交換反應器的路徑長度30cm處，在向上流動和向下流動的通道組中每一對的通道之一的中部注入額外的鄰二甲苯。由于加工流量下降，循環(huán)鹽浴的溫度下降至700°K，相當于管式反應器入口處的溫度。在本實施例中，通道的路徑長度增加至共130cm，這為第一段提供了額外的30cm的長度，同時保持實施例2和3中使用的第二段的100cm不變。額外的長度將PA產(chǎn)物中的2-苯并〔c〕呋喃酮的含量減少至1000ppm以下。然而，即使在長度加長的情況下，總壓降保持在低于管式反應器實施例的0.3巴的值上。圖15顯示出低于810°K的第一段的最高峰值溫度。圖16顯示出在注入點后最初30cm的鄰二甲苯的基本完全轉化。圖17顯示出連續(xù)的高于83％的PA選擇性。作為結果，產(chǎn)生50kMta的PA的使用管式反應器的處理裝置需要33立方米催化劑。相比之下，用于產(chǎn)生同樣量的PA的使用多次原料注入的板式熱交換反應器僅需要12.8m2催化劑，因此與管式反應器設備相比，顯著地降低了板式反應器設備的資本成本。從另一個角度看，本實施例表明，通過采用分段原料注入，鄰二甲苯原料濃度與管式反應器相比實際加倍。
總的來說，實施例確立了板式反應器相對于管式反應器的很多工藝優(yōu)點。實施例的比較顯示了使用將空氣和鄰二甲苯的混合物在一個單獨的入口點加入從而生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐的板式熱交換反應其設備的總熱效率的提高。在提高的鄰二甲苯在空氣中的濃度下通過一次原料注入過程使用板式反應器設備可以產(chǎn)生額外的優(yōu)點。此外，在板式反應器設備中將鄰二甲苯的分段原料注入實質(zhì)性地減少了板式反應器的成本。此類節(jié)約包括空氣壓縮成本降低50％和因板式反應器與管式反應器相比較小的尺寸而產(chǎn)生的資本成本的實質(zhì)性減少。
權利要求
1.用于通過使用間接熱交換流體的間接熱交換對反應區(qū)中的反應物進行間接加熱或冷卻的同時將反應物和催化劑在反應區(qū)中接觸的反應設備，該設備包括劃分出在一端帶有流體入口(14)的第一組通道(15)和帶有流體出口的第二組通道(27)的多個層疊的板(17、19)，并且；其中該多個層疊的板(17、19)包括用于阻止流體在相鄰通道間流動的無孔板(19)，其中穿孔板(17)與無孔板交替，從而劃分出了從流體入口(14)至流體出口的連續(xù)的流動路徑，和，至少一段穿孔段(16)，該段在第一和第二組通道(15、27)之間輸送流體，其中層疊的板的至少一部分在其一端穿孔，其中每個穿孔段(16)僅延伸至穿孔的板(17)的一部分，并且至少一套穿孔處于與流體入口相對的位置。
2.根據(jù)權利要求1的設備，其中分配歧管(20，21)在位于通道頂部(15、27)的流體入口(14)和流體出口分配和收集流體，通道的至少一部分在其底部劃分出了顆粒出口(30)，第一組通道(15)的流體入口(14)和/或第二組通道(27)的流體出口接受顆粒，并且催化劑卸載裝置(28)在處于催化劑保留位置時封閉顆粒出口(30)，而在處于卸載位置時則打開顆粒出口。
3.根據(jù)權利要求1的設備，其中在一組板(17)中每隔一個板(17)在其底部為穿孔段(16)，以直接連通第一和第二組通道(15、27)的底部從而允許流體流過，并且流體入口(14)和流體出口位于第一和第二組通道(15、27)的同一端。
4.根據(jù)權利要求2的設備，其中第一和第二組通道(15、27)在其底部劃分出了顆粒出口(30)，而卸載裝置(28)包括第一組門(29)，該門在處于第一個位置時打開一組通道以卸載顆粒，而在第二個位置時將顆粒保留在通道中，而且該卸載裝置包括第二組門(31)，該門具有帶有長孔的板的構造，且第二組門在一組通道中保留顆粒時其位置在第一組門的上方。
5.根據(jù)權利要求1的設備，其中穿孔板上的穿孔(61、57)從通道的一端到另一端交替分布，從而確定了經(jīng)過第一和第二通道對(58、59)和從第一和第二通道對的第一組收集和分配流體的處于通道一端的第一歧管(52)，以及處于通道相對的一端的從第一和第二通道對的第二組收集和分配流體第二歧管(60)的第一組和第二組獨立的流動路徑。
6.根據(jù)權利要求1的設備，其中至少兩塊穿孔板(69)在每一無孔板之間延伸，并且相鄰的穿孔板在相對的末端具有穿孔段，從而確定了連續(xù)的、穿過至少三個通道長度的流動(60、70、71)，并且第一歧管(66)將流體分配至通道一端的流體入口，而第二歧管(72)則從通道的相對的末端將流體收集。
7.根據(jù)權利要求1的設備，其中第一組通道對確定了用于循環(huán)熱交換流體的熱交換通道，第二組通道對確定了接收反應物物流和釋放反應后的物流的反應通道。
8.用于在通過使用熱交換流體的間接熱交換間接加熱或冷卻反應區(qū)中的反應物的同時將反應物和催化劑在反應區(qū)中相接觸的反應設備，該設備包括劃分出一端帶有流體入口的第一組通道(68、70、71)和一端帶有流體出口的第二組通道(68、70、71)的一組隔開的板(69)；將流體在第一和第二組通道間輸送的至少一段穿區(qū)(69)，其中隔開的板的至少一部分在其一端有穿孔區(qū)，每一段穿孔區(qū)僅延伸至有穿孔區(qū)的板的一部分，和；延伸跨越通道的側面和其上有同側歧管連通的開口(79′)的通道的側面的側歧管(75)，以分配流體或?qū)⒘黧w收集至該側歧管。
9.根據(jù)權利要求1至8的任一項的設備，其中穿孔(16)所定義的開放面積的總和至少等于通道的總流動面積，且穿孔段(16)占板(17)的長度小于25％。
10.根據(jù)權利要求1至8的任一項的設備，其中反應通道具有小于2.5cm(1英寸)的平均寬度。
11.根據(jù)權利要求1至8的任一項的設備，其中板是平坦的并且通道是蝕刻進板中的。
全文摘要
一種用于以熱交換式通道反應區(qū)中的狹窄通道進行間接熱交換的方法和設備，其中使用帶有部分穿孔段(16)的板(17)以簡化或消除用于分配和收集不同的流體至各通道的歧管的使用。本發(fā)明利用將相鄰的通道通過位于通道一端或另一端的穿孔部分直接連通簡化了操作。本發(fā)明的設備提供了更緊湊的熱交換反應器設計的優(yōu)勢。本發(fā)明的設計也可以簡化在通道的一端的單個歧管裝置的使用，從而使反應通道中的催化劑的卸載和催化劑的更換更容易。
文檔編號B01J19/24GK1527742SQ00820126
公開日2004年9月8日 申請日期2000年12月22日 優(yōu)先權日2000年12月22日
發(fā)明者J·J·L·羅馬蒂耶, J J L 羅馬蒂耶 申請人:環(huán)球油品公司